數(shù)字化表頭在油田的應(yīng)用及優(yōu)越性

趙　瑾　李汲峰　馬　紀(jì)　徐　德

(1.長(zhǎng)慶油田分公司技術(shù)監(jiān)測(cè)中心，西安 710018；2.上海自儀九儀表有限公司，上海 201805)

0　引言

圖1　機(jī)械表頭結(jié)構(gòu)圖

1　原油流量計(jì)機(jī)械表頭使用現(xiàn)狀

目前，油田廣泛使用的容積式流量計(jì)均采用機(jī)械式表頭(圖1)，現(xiàn)場(chǎng)只能讀取累積流量，無(wú)瞬時(shí)流量顯示，流量計(jì)是否在正常流量范圍內(nèi)工作(流量計(jì)在正常流量范圍內(nèi)工作才能保證精度)，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法知曉，只能估算，要知道瞬時(shí)流量實(shí)際值只能借助配套光電式脈沖轉(zhuǎn)換器遠(yuǎn)傳到信號(hào)接受系統(tǒng)的方式，通過(guò)查閱系統(tǒng)才能知道瞬時(shí)流量和累積流量的數(shù)據(jù)。給調(diào)節(jié)流量帶來(lái)不便，對(duì)計(jì)量的準(zhǔn)確性造成影響。同時(shí)，這種流量計(jì)的表頭補(bǔ)償機(jī)構(gòu)主要有兩種形式，一種是更換齒輪方式，一種是一個(gè)塔輪輪系機(jī)構(gòu)。經(jīng)過(guò)多年的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)廠家和用戶普遍認(rèn)為有以下不足之處：

1)更換齒輪方式的表頭，在更換齒輪時(shí)必須停機(jī)更換，影響生產(chǎn)，而且在使用過(guò)程中齒輪易磨損或打滑、掉齒，在小流量段因負(fù)荷重而影響整機(jī)的準(zhǔn)確度。

2)塔輪輪系機(jī)構(gòu)的表頭，即在流量計(jì)主軸轉(zhuǎn)數(shù)向機(jī)械計(jì)數(shù)器傳動(dòng)的齒輪系的某個(gè)環(huán)節(jié)加裝一個(gè)差動(dòng)輪系機(jī)構(gòu)，人為地為齒輪傳動(dòng)增加或減少一個(gè)補(bǔ)償量。其補(bǔ)償量是對(duì)每個(gè)流量點(diǎn)同時(shí)增加或減少的，只能使原有的特性曲線在誤差方向上上下平移，即只能消除固有偏差，而不能提高原有曲線符合準(zhǔn)確度要求線性范圍段以外流量點(diǎn)的準(zhǔn)確度，這種方式可稱為“硬補(bǔ)償”，因此其對(duì)流量計(jì)誤差的補(bǔ)償有較大的局限性。

3)機(jī)械式表頭采用的是大字輪式的，在人工讀數(shù)時(shí)，除了需要花費(fèi)較大人力外，還因讀數(shù)時(shí)字輪走數(shù)與抄表時(shí)間的差異等因素，會(huì)形成一定的記錄誤差。

4)機(jī)械式表頭(字輪表頭+光電輸出機(jī)構(gòu)+精度修正機(jī)構(gòu))內(nèi)部的機(jī)械機(jī)構(gòu)復(fù)雜、零件多，精度修正器靠齒輪嚙合，因此出故障的因素多、概率高。更換表頭后需重新檢定。

2　國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀

1)國(guó)內(nèi)油田基本上采用的是容積式流量計(jì)，大部分使用機(jī)械表頭加光電式脈沖轉(zhuǎn)換器(圖2)，用脈沖信號(hào)或電流信號(hào)傳給系統(tǒng)的方式，少部分已經(jīng)開(kāi)始用機(jī)械表頭加光電式脈沖轉(zhuǎn)換器加流量積算儀，進(jìn)行RS485組網(wǎng)試點(diǎn)；還有少部分使用數(shù)字顯示表頭，但可靠性很差。

圖2　機(jī)械表頭加光電式脈沖轉(zhuǎn)換器構(gòu)成圖

2)國(guó)外油田用的容積式流量計(jì)采用的是脈沖或電流信號(hào)，只有大公司用HART通訊。HART技術(shù)主要被大公司壟斷，不是一個(gè)真正意義上開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)，且系統(tǒng)集成的難度大、成本高。

3　流量計(jì)數(shù)字化表頭使用的必要性

流量計(jì)數(shù)字化表頭的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3，原理是將流量計(jì)計(jì)量部件的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)檢測(cè)頭轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

聽(tīng)到響動(dòng)，一直躲在廚房的吳麗藻走進(jìn)客廳。見(jiàn)眼前情景，她轉(zhuǎn)身就跑。已瘋狂的徐云天幾步趕到她身后，一把抓住她，向她后背狠捅一刀?？粗鴧躯愒寰従彽瓜?，徐云天泄憤地又補(bǔ)了幾刀。

圖3　數(shù)字表頭結(jié)構(gòu)圖

數(shù)字化表頭與站控室計(jì)算機(jī)通訊構(gòu)成見(jiàn)圖4，將RS485D通訊的數(shù)字信號(hào)直接與電腦連接。

圖4　數(shù)字化表頭與站控室計(jì)算機(jī)通訊圖

3.1　流量計(jì)數(shù)字化表頭通訊方式現(xiàn)狀

目前使用的網(wǎng)絡(luò)主要有：485網(wǎng)絡(luò)、HART網(wǎng)絡(luò)、FieldBus現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)。但由于HART通信速率低、組網(wǎng)困難等原因，HART儀表的應(yīng)用將呈下滑趨勢(shì)；FieldBus現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域的熱點(diǎn)技術(shù)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)，但支持現(xiàn)場(chǎng)總線的儀表種類還比較少，可供選擇的余地小，價(jià)格又偏高，用量也較??；RS485/MODBUS是現(xiàn)在流行的一種工業(yè)組網(wǎng)方式，其特點(diǎn)是實(shí)施簡(jiǎn)單方便，而且現(xiàn)在支持RS485的儀表又特別多。

3.2　數(shù)字化表頭優(yōu)越性

1)現(xiàn)場(chǎng)液晶顯示瞬時(shí)流量和累積流量，方便讀數(shù)與瞬時(shí)流量的調(diào)節(jié)。

2)不用機(jī)械表頭(字輪表頭+光電輸出機(jī)構(gòu)+精度修正機(jī)構(gòu))和光電式脈沖轉(zhuǎn)換器，大大減少故障的產(chǎn)生因素。

3)在斷電情況下，有內(nèi)置干電池，表頭仍能正常顯示和正常計(jì)量，表頭將累積流量?jī)?chǔ)存在內(nèi)部，待來(lái)電后，電腦去讀取表頭內(nèi)的累積流量，避免數(shù)據(jù)的丟失；在供電情況下，可輸出4～20mA電流信號(hào)、脈沖信號(hào)(供流量計(jì)檢定時(shí)用)，配有RS485通訊接口，可直接將有關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)秸究厥矣?jì)算機(jī)或遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)中，避免了人工抄表等中間環(huán)節(jié)造成的誤差。

4)采用數(shù)字化表頭加上無(wú)線模塊(如GPRS模塊)及相關(guān)軟件，可實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，所有參數(shù)的設(shè)置、修改、存儲(chǔ)等均可按實(shí)際工況條件在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，且無(wú)須停機(jī)，非常方便。設(shè)置密碼可確保安全，同時(shí)使容積式流量計(jì)有了現(xiàn)場(chǎng)瞬時(shí)流量顯示，為操作者更直觀、更方便地了解和控制工藝狀況提供了條件和依據(jù)。

5)由于電腦(安裝常規(guī)的工控軟件)可以直接讀取數(shù)字表頭內(nèi)的數(shù)據(jù)，省去了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，避免由于對(duì)累計(jì)流量計(jì)算方法不同而產(chǎn)生誤差。用RS485通訊傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)互連時(shí)非常方便，可以省掉許多信號(hào)線。可使表頭實(shí)現(xiàn)通用化，只要設(shè)置相應(yīng)的系數(shù)、通訊地址，該表頭就可在任何一臺(tái)流量計(jì)上使用?？稍黾蝇F(xiàn)場(chǎng)總線功能，方便進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

6)除了輸出脈沖信號(hào)外，還可以輸出4～20mA電流信號(hào)，便于檢定，實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度和寬流量范圍的容差補(bǔ)償，其原理在于它是利用精確檢定結(jié)果得出的每個(gè)流量點(diǎn)的高準(zhǔn)度儀表系數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算流量值，可以對(duì)不同的流量段分段進(jìn)行流量誤差曲線的修正，再現(xiàn)了儀表實(shí)際特性曲線。

4　實(shí)際應(yīng)用

某油田原采用現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械表頭加光電脈沖輸出的轉(zhuǎn)換器輸出，后改用新開(kāi)發(fā)的數(shù)字化表頭，其應(yīng)用效果對(duì)比如下：

4.1　機(jī)械表頭

1)用機(jī)械表頭加光電脈沖輸出的轉(zhuǎn)換器時(shí)，需人工結(jié)合電腦的方式進(jìn)行流量計(jì)累積流量的數(shù)據(jù)采集，間隔2h，操作工到現(xiàn)場(chǎng)采集表頭累積流量數(shù)據(jù)，并與電腦上的累積流量數(shù)據(jù)對(duì)比，(由于線路、系統(tǒng)、設(shè)置等原因時(shí)常會(huì)出現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)與電腦的數(shù)據(jù)對(duì)不上的現(xiàn)象)，同時(shí)查看電腦上的瞬時(shí)流量與經(jīng)驗(yàn)估算值是否正確，操作工將24h的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總上報(bào)。由于人工操作、系統(tǒng)、設(shè)置等原因，難免會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)偏差，影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2)機(jī)械表頭長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行必然會(huì)磨損及出現(xiàn)線性超差或精度超差等問(wèn)題，若超差還需進(jìn)行精度調(diào)整等一系列問(wèn)題，且機(jī)械表頭的互換性較差，流量計(jì)更換機(jī)械表頭后需檢定后才能使用。

3)機(jī)械表頭不具備分段修正功能。當(dāng)對(duì)流量計(jì)進(jìn)行周檢時(shí)發(fā)現(xiàn)基本誤差超差，或由于因產(chǎn)量變化超出原流量計(jì)的流量范圍，無(wú)法對(duì)原流量計(jì)的線性誤差進(jìn)行補(bǔ)償，導(dǎo)致原流量計(jì)不能滿足準(zhǔn)確度要求，無(wú)法使用。

4.2　數(shù)字化表頭

計(jì)算機(jī)可直接讀取表頭內(nèi)的數(shù)據(jù)，將電腦設(shè)置為定時(shí)采集數(shù)據(jù)并匯總，保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。省去人工數(shù)據(jù)采集及原脈沖數(shù)據(jù)采集模塊。由于無(wú)機(jī)械傳動(dòng)，使流量計(jì)的精度與表頭無(wú)關(guān)，更換表頭后不會(huì)影響其精度。

采用數(shù)字表頭，可以省去上面很多麻煩，斷電后干電池供電不會(huì)丟失數(shù)據(jù)；且更換表頭后只要將原流量計(jì)的系數(shù)設(shè)入即可，無(wú)需更改系統(tǒng)內(nèi)儀表系數(shù)；流量計(jì)精度超差僅需修改儀表系數(shù)；流量計(jì)線性超差(在重復(fù)性好的條件下)可打開(kāi)分段修正功能(段數(shù)從1～9內(nèi)任意設(shè)置)，特別是當(dāng)產(chǎn)量變小，超出原流量計(jì)的下限流量時(shí)，可進(jìn)行線性修正。如原DN80的流量計(jì)下限流量為12m3/h，現(xiàn)實(shí)際流量?jī)H8m3/h左右，若該點(diǎn)的重復(fù)性合格但線性超差，此時(shí)進(jìn)行分段修正就可使準(zhǔn)確度符合使用要求。

5　數(shù)字化表頭的發(fā)展前景及需求

隨著油田數(shù)字化技術(shù)的推行和發(fā)展，數(shù)字化表頭的流量計(jì)、壓力變送器、溫度變送器等設(shè)備也相應(yīng)得以發(fā)展和完善，以及撬裝式體積管數(shù)字化檢定技術(shù)的應(yīng)用，為數(shù)字化油田的實(shí)現(xiàn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過(guò)數(shù)字化表頭及常規(guī)的工控軟件，不僅節(jié)省了人工，而且也省去了原脈沖數(shù)據(jù)采集模塊，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。計(jì)算機(jī)還可以將流量、壓力、溫度等繪制出實(shí)時(shí)走勢(shì)圖，并將其疊合在同一界面上，清晰明了地看出三者之間的實(shí)時(shí)走勢(shì)關(guān)系，相關(guān)人員從中分析流量變化與壓力、溫度變化的相應(yīng)關(guān)系，從而找出流量變化的原因。

6　結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字化表頭的運(yùn)用為油田管理帶來(lái)的好處是顯而易見(jiàn)的，隨著油田數(shù)字化項(xiàng)目的不斷發(fā)展與壯大，對(duì)數(shù)字化表頭的需求會(huì)逐漸增多，應(yīng)用面將會(huì)越來(lái)越廣闊。

[1]杜懷棟.容積式流量計(jì)采用智能數(shù)字表頭是必然趨勢(shì).自動(dòng)化儀表,1986(6)

[2]李建華.安塞油田數(shù)化計(jì)量技術(shù)的應(yīng)用及趨勢(shì)[J].計(jì)量技術(shù),2006(7)

[3]陳在平，等.現(xiàn)場(chǎng)總線及工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M].電子工業(yè)出版社，2008

[4]JJG 667—2010.液體容積式流量計(jì)檢定規(guī)程